Vật chất có bao nhiêu trạng thái? Khi còn nhỏ, bạn từng được dạy rằng có 3 dạng vật chất phổ biến nhất: rắn, lỏng, và khí.
Cả 3 dạng này đều tồn tại khá phổ biến trên bề mặt hành tinh: đá và băng là dạng rắn, nước và nhiều loại dầu là dạng lỏng, còn bầu khí quyển chúng ta đang thở là dạng khí. Tuy nhiên, chúng đều dựa trên những nguyên tử trung hòa, vốn là những giới hạn mà vũ trụ bao la không hề bị ràng buộc.
Ở thời điểm hiện tại, trạng thái vật chất thứ 5 và 6 chỉ xuất hiện dưới điều kiện nghiêm ngặt trong phòng thí nghiệm.
Nếu bạn dùng đủ năng lượng để bắn phá bất kỳ nguyên tử nào, bạn sẽ đẩy được các electron ra khỏi nguyên tử, tạo nên một plasma ion hóa: trạng thái thứ 4 của vật chất. Nhưng còn 2 trạng thái khác nữa: ngưng tụ Bose-Einstein và ngưng tụ Fermionic, tức trạng thái thứ 5 và thứ 6 của vật chất. Ở thời điểm hiện tại, chúng chỉ xuất hiện dưới điều kiện nghiêm ngặt trong phòng thí nghiệm, nhưng chúng có thể đóng một vai trò quan trọng trong vũ trụ. Hãy đọc tiếp để hiểu nguyên nhân vì sao.
Trên Trái đất, mọi thứ đều được cấu thành từ các nguyên tử. Một số nguyên tử kết hợp với nhau để tạo nên các phân tử; các nguyên tử khác tồn tại như những thực thể độc lập. Dù cho có bao nhiêu nguyên tử xuất hiện trong bất kỳ hợp chất hóa học cụ thể nào đi chăng nữa – ví dụ, nước, khí oxy, khí methane, khí helium… sự kết hợp của nhiệt độ và các điều kiện áp suất sẽ quyết định hợp chất đó ở trạng thái rắn, lỏng, hay khí.
Nước đóng băng ở nhiệt độ thấp và áp suất trung bình, trở thành chất lỏng ở áp suất cao hơn và/hoặc nhiệt độ cao hơn, và trở thành khí ở nhiệt độ cao hơn nữa hoặc ở áp suất rất thấp. Tuy nhiên, ở mức nhiệt độ khoảng 374 độ C trở lên, "công thức" này bị phá vỡ. Ở áp suất thấp, bạn vẫn sẽ có nước dạng khí; ở áp suất cao hơn, bạn sẽ có một chất lỏng siêu tới hạn với các đặc tính của cả dạng khí và dạng lỏng. Đẩy nhiệt độ lên cao hơn nữa, bạn sẽ bắt đầu ion hóa các phân tử, tạo nên một plasma – trạng thái thứ 4 của vật chất.
Có thể đến đây, hầu hết những cuộc tám chuyện về trạng thái của vật chất sẽ kết thúc, nhưng về mặt khoa học, vẫn còn nhiều thứ hay ho. Trên thự tế, đó chỉ là đoạn kết của chương truyện về nguyên tử. Phần còn lại của câu chuyện, chúng ta sẽ bước vào thế giới hạ nguyên tử: thế giới của các hạt nhỏ hơn cả nguyên tử. Bạn có lẽ đã gặp một trong số chúng: electron, một trong những hạt nền tảng của Mô hình chuẩn về vật lý hạt.
Electron là những hạt tích điện âm trong nguyên tử, quay quanh hạt nhân nguyên tử - chính những hạt này khi bị năng lượng cao đẩy ra khỏi nguyên tử sẽ biến nguyên tử thành một plasma ion hóa. Trong khi đó, hạt nhân nguyên tử được cấu thành bởi các proton và neutron – những hạt tạo nên bởi 3 hạt quark. Bên trong proton và neutron, các gluon, cũng như các cặp hạt quark-phản quark, liên tục được tạo ra, tiêu hủy, phát xạ, và bị hấp thụ bên trong mỗi hạt tổng hợp kia. Có thể nói, bên trong mỗi proton và neutron là một thế giới hạ phân tử hỗn độn.
Electron là những hạt tích điện âm trong nguyên tử, quay quanh hạt nhân nguyên tử.
Đây là điểm quan trọng đưa chúng ta đến với trạng thái thứ 5 và thứ 6 của vật chất: mỗi hạt trong vũ trụ, bất kể là hạt cơ bản hay hạt tổng hợp, đều rơi vào một trong hai loại:
- Fermion: Đây là một hạt mà khi chúng ta đo đạc spin của nó sẽ luôn thu được các giá trị được lượng tử hóa thành các giá trị bán nguyên của hằng số Planck: ±1/2, ±3/2, ±5/2…
- Boson: Đây là một hạt mà khi chúng ta đo đạc spin của nó sẽ luôn thu được các giá trị được lượng tử hóa thành các giá trị nguyên của hằng số Planck: 0, ±1, ±2…
Trong toàn bộ vũ trụ đã biết, không có hạt nào – cả cơ bản hay tổng hợp – rơi vào bất kỳ loại nào khác. Mọi thứ chúng ta đã từng đo đạc được hoặc là một fermion, hoặc là một boson.
Electron, vốn là các hạt cơ bản với spin ±1/2, hiển nhiên là các fermion. Proton và neutron, mỗi hạt được cấu tạo từ 3 hạt quark, cũng có spin ±1/2, bởi spin của một quark sẽ luôn đối lập với spin của hai quark còn lại. Tuy nhiên, nếu bạn ghép một proton và một neutron lại với nhau, bạn sẽ tạo ra một hạt tổng hợp gọi là deuteron: hạt nhân nguyên tử của một đồng vị nặng của hydro, gọi là deuterium.
Một deuteron, vốn là một fermion ghép với một fermion khác, luôn hoạt động như một boson. (Bởi ±1/2 + ±1/2 chỉ có thể bằng -1, 0, hoặc +1: giá trị spin của một boson). Dù chúng ta đang đề cập đến hạt cơ bản hay tổng hợp, các fermion và boson đều có một điểm khác biệt quan trọng so với nhau. Đúng là spin của chúng khác nhau, nhưng sự khác nhau đó dẫn đến một hệ quả thú vị: fermion tuân theo Nguyên tắc loại trừ Pauli, còn boson thì không.
Nguyên tắc loại trừ Pauli là một trong những nền tảng quan trọng được phát hiện vào thời kỳ đầu của cơ học lượng tử. Nó nói rằng không có hai fermion nào có thể tồn tại dưới cùng một trạng thái lượng tử giống nhau.
Nguyên tắc này được sử dụng khi chúng ta đưa electron vào một hạt nhân nguyên tử đã ion hóa hoàn toàn. Electron đầu tiên sẽ rơi vào trạng thái năng lượng thấp nhất có thể: trạng thái cơ bản. Nếu bạn thêm vào một electron thứ hai, nó cũng sẽ cố rơi vào trạng thái cơ bản, nhưng trạng thái này đã thuộc về electron thứ nhất. Để giảm thiểu năng lượng của bản thân, nó nhảy sang trạng thái tương tự, nhưng spin được đảo ngược: +1/2 nếu electron đầu tiên là -1/2; -1/2 nếu electron đầu tiên là +1/2. Bất kỳ electron nào sau đó cũng sẽ rơi vào một trạng thái năng lượng ngày càng cao hơn; không có hai electron nào có thể có cùng một trạng thái lượng tử trong cùng một hệ thống vật lý.
Nhưng với các boson, điều này không chính xác. Bạn có thể đưa bao nhiêu boson vào trạng thái cơ bản tùy thích, không có giới hạn nào. Nếu bạn tạo ra các điều kiện vật lý phù hợp – như hạ nhiệt độ của một hệ thống các boson và chuyển chúng sang một địa điểm vật lý như nhau – số lượng boson bạn có thể đưa vào trạng thái năng lượng thấp nhất là vô hạn. Khi bạn đạt được điều này, trong đó các boson đều ở cùng trạng thái lượng tử năng lượng thấp nhất như nhau, bạn đã đạt được trạng thái thứ 5 của vật chất: ngưng tự Bose-Einstein.
Bạn có thể đưa bao nhiêu boson vào trạng thái cơ bản tùy thích, không có giới hạn nào.
Trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein của các boson, trong trường hợp này là các nguyên tử rubidi. Hình vẽ là phân bố tốc độ của chuyển động của các nguyên tử, theo vị trí. Màu đỏ chỉ nguyên tử chuyển động nhanh, màu xanh và trắng chỉ nguyên tử chuyển động chậm. Trái: trước khi xuất hiện ngưng tụ Bose-Einstein. Giữa: ngay sau khi ngưng tụ. Phải: trạng thái ngưng tụ xuất hiện rõ hơn. Ở trạng thái ngưng tụ, rất nhiều nguyên tử có cùng vận tốc và vị trí (cùng trạng thái lượng tử) nằm ở đỉnh màu trắng.
Helium, một atom cấu thành từ 2 proton, 2 neutron, và 4 electron, là một nguyên tử ổn định với số fermion chẵn, và do đó hoạt động như một boson. Ở nhiệt độ đủ thấp, nó trở thành một chất siêu lỏng: một chất lỏng với độ nhớt bằng không và không có ma sát giữa nó hoặc bất kỳ vật chứa nào tương tác với nó. Những đặc tính này là một hệ quả của ngưng tụ Bose-Einstein. Dù helium là boson đầu tiên đạt được trạng thái thứ 5 của vật chất, hiện tại các loại khí, phân tử, bán hạt, và thậm chí là photon, cũng đã đạt được trạng thái này. Đó là một lĩnh vực nghiên cứu đang rất được quan tâm ngày nay.
Mặt khác, tất cả các fermion không thể ở cùng trạng thái lượng tử. Trong khi các ngôi sao lùn và các ngôi sao neutron không sụp đổ theo nguyên tắc loại trừ Pauli, thì các electron trong các nguyên tử liền kề (trong các ngôi sao lùn trắng) hay các neutron nằm cạnh nhau (trong các ngôi sao neutron) không thể hoàn toàn sụp đổ dưới trọng lực của chính chúng, bởi áp suất lượng tử theo nguyên tắc loại trừ Pauli. Nguyên tắc này cũng là thứ chịu trách nhiệm cho cấu trúc nguyên tử giữ những dạng vật chất đặc này khỏi bị sụp đổ thành các hố đen; hai fermion không thể ở cùng một trạng thái lượng tử.
Vậy làm sao bạn có thể đạt được trạng thái thứ 6 của vật chất: một ngưng tụ Fermionic? Tin hay không tùy bạn, nhưng vấn đề về ngưng tụ Fermionic đã được đưa ra thảo luận từ những năm 1950, với một phát kiến vĩ đại của nhà vật lý giành giải Nobel là Leon Cooper. Có một khái niệm mang tên ông: các cặp Cooper.
Ở nhiệt độ thấp, mọi hạt có xu hướng rơi vào trạng thái cơ bản, năng lượng thấp nhất, của nó. Nếu bạn lấy một kim loại dẫn nhiệt và hạ nhiệt độ của nó xuống mức vừa đủ, hai electron có spin đối lập nhau sẽ ghép đôi với nhau; sự thu hút này sẽ khiến các electron ghép cặp thành một trạng thái ổn định hơn, ít năng lượng hơn, so với khi mọi electron tự thân di chuyển.
Ngưng tụ Fermionic đòi hỏi nhiệt độ thấp hơn ngưng tụ Bose-Einstein, nhưng chúng cũng hoạt động như một chất siêu lỏng. Vào năm 1971, helium-3 (có ít hơn 1 neutron so với helium thông thường) đã được chứng minh là có thể biến thành một chất siêu lỏng ở nhiệt độ dưới 2.5 millikelvin – đây là ví dụ đầu tiên về một chất siêu lỏng chỉ toàn fermion. Năm 2003, phòng thí nghiệm của nhà vật lý học Deborah Jin đã tạo ra được ngưng tự Fermionic đầu tiên dựa trên nguyên tử bằng cách sử dụng một từ trường mạnh cùng với nhiệt độ siêu lạnh để đưa các nguyên tử vào trạng thái mới lạ này.
Bên cạnh 3 trạng thái cơ bản của vật chất – rắn, lỏng, và khí – có một trạng thái plasma ion hóa năng lượng cao hơn, xuất hiện mỗi khi các nguyên tử và phân tử có quá ít electron nên không thể trung hòa điện tích được. Tuy nhiên, ở nhiệt độ siêu thấp, hai lớp hạt cơ bản, boson và fermion, có thể cùng ngưng tụ theo những cách khác nhau, lần lượt tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein hoặc ngưng tụ Fermionic: trạng thái thứ 5 và thứ 6 của vật chất.
Tuy nhiên, để tạo ra một ngưng tụ Fermionic từ vật chất, bạn phải đạt được những điều kiện không tưởng: nhiệt độ dưới 50 nanokelvin cùng một từ trường biến đổi theo thời gian. Dẫu vậy, trong vũ trụ rộng lớn, hoàn toàn có khả năng các neutrino (cấu thành từ các fermion) hoặc vật chất tối (có thể là fermion hoặc boson) kết hợp cùng nhau để hình thành nên các ngưng tụ của riêng mình. Chìa khóa để mở ra một trong những bí ẩn vĩ đại nhất của vũ trụ có lẽ nằm trong những trạng thái vật chất hiếm nhất và kỳ lạ nhất từng được biết đến.